本發(fā)明屬于增材制造技術領域，具體涉及一種微細粉末小層厚鋪置的裝置，本發(fā)明主要用于激光微燒結(jié)、激光微熔化、選區(qū)激光熔化、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)電子束熔化成形等增材制造領域。

背景技術：

在基于三維CAD模型和粉末成形的增材制造技術中，小層厚的粉層可以降低臺階效應、提高成形工件的精度，特別是提高成形工件的質(zhì)量，減少球化效應和不致密等缺陷。要鋪置小層厚的粉層，必須采用微細粉末。隨著粉末粒度的減少，分子間作用力和顆粒間靜電力等表面力主導作用明顯，微細粉末粒子之間的作用力更易克服自身重力，形成聚團導致粉末內(nèi)部均勻性較差，且聚團顆粒之間的作用力較大。普通刮刀鋪粉裝置在鋪置微細粉末薄粉層時發(fā)現(xiàn)微細粉末只有極少量粉末殘留在基板上，大部分粉末都被刮刀帶走，這是因為鋪置微細粉末時刮刀施加在粉末上的作用力大于粉末與基板之間的摩擦力，無法像大顆粒粉末鋪粉那樣停留在基板上。因此在這類增材制造技術中，粉末的均勻平整鋪設一直是一項關鍵技術和難點。在微成形增材制造中，由于需要得到很小的特征尺寸、很高的空間分辨率，通常需要采用微米級甚至是亞微米級的微細粉末，鋪設數(shù)微米層厚的粉末，因此難度更大。

目前對于粉末的鋪設主要有如下兩種方法和裝置：一種是輥筒式鋪粉，其原理是隨著輥筒的運動推動粉堆運動，粉末由于流動性在輥筒和基板的間隙間形成薄薄的粉層。并且輥筒漸變的切向面對粉層有壓力作用。這一鋪粉方法的優(yōu)點是輥筒對粉層的壓力作用使得粉層致密度得到了一定提高，但是微細粉末的表面能大，輥筒轉(zhuǎn)動過程中，這些粉末易粘結(jié)在輥筒上，無法實現(xiàn)小層厚粉末的鋪設，目前輥筒鋪粉方式鋪置粉末的最小厚度在50μm左右；另一種就是刮刀式鋪粉，刮刀式鋪粉的原理是利用粉末的流動性，粉末在刮刀的推動下在基板上鋪展開，并由刮刀的刀刃運動形成粉層。該方法由于刮刀與粉末是接觸面積小，且對粉層幾乎無壓力，從而避免粉末的粘附。雖然這種方式鋪置的粉層松裝密度沒有輥筒式鋪粉高，但是刮刀式鋪粉可以實現(xiàn)最小厚度為20μm左右的鋪粉厚度。目前比較大的粉末增材制造設備制造商最新設備，例如EOS公司的EOSINT M280設備、MCP公司的500HL以及RENISHAW公司的AM 250的鋪粉裝置都是采用這種方式。

雖然這種刮刀式鋪粉實現(xiàn)了20μm的鋪粉厚度，但這種鋪粉層厚依然無法滿足要求：對于選區(qū)激光熔化成形、選區(qū)激光燒結(jié)、選區(qū)電子束熔化成形等增材制造來說，小層厚可以提高成形零件的精度和表面質(zhì)量，而對于當今最新的微成形增材制造技術而言，需要層厚在數(shù)微米級。因此人們一直致力于鋪粉方法和裝置的研制。

為減少鋪粉厚度，比利時的J.P.Kruth改進了刮刀式鋪粉裝置，發(fā)明了一種“slot feeder”的裝置，該裝置目的是減小刮刀前方粉堆的體積和質(zhì)量，從而減小刮刀與粉末的作用力。該裝置有效提高了刮刀式鋪粉的穩(wěn)定性。德國University of Applied Science Mittweida的Regenfuss等人設計了環(huán)形刮刀旋轉(zhuǎn)鋪粉方法和裝置，但該裝置環(huán)形刮刀運動速度較慢，鋪粉效率不高。該裝置成功實現(xiàn)了5μm以下粉層厚度的鋪粉。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于增材制造的微細粉末小層厚的鋪置，該裝置能夠?qū)⑽⒓毞勰?微米、亞微米級粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

為了實現(xiàn)上述技術方案，本發(fā)明的一種用于增材制造的微細粉末小層厚的鋪置，包括加工基板、成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B以及刮刀A和刮刀B；

所述成型缸、送粉缸、回收缸A、回收缸B、刮刀架A、刮刀架B設置在工作臺上；

所述加工基板在成型缸內(nèi)可以上下升降；

所述送粉缸內(nèi)的粉末是通過活塞向上運動送粉；

所述刮刀架A、刮刀架B上分別裝有刮刀A、刮刀B；刮刀A、刮刀B可水平運動，刮刀A、刮刀B刀刃與加工基板平面重合。

優(yōu)選的，所述成型缸和送粉缸的上下運動和刮刀A和刮刀B的水平運動均采用交流伺服電機驅(qū)動，通過高精密滾珠絲桿傳動來完成。

優(yōu)選的，所述刮刀A的前角設計為0°，倒棱前角γ₀₁設計的角度采用60°～75°；倒棱寬度b₀₁為5～10mm。

優(yōu)選的，所述刮刀B的前角設計為0°，倒棱前角γ₀₂設計的角度為15°。倒棱寬度b₀₂為3～5mm，后角α大于45°。

優(yōu)選的，所述刮刀A安裝方向與其運動方向垂直，刮刀B安裝方向與垂直方向成一定角度θ，角度θ為15°～30°。

本發(fā)明的另一技術方案在于提供上述任意一種增材制造的微細粉末雙刮刀分步鋪粉裝置的鋪粉方法，包括以下步驟：

(1)對加工基板進行毛化處理；

(2)對粉末進行消磁、消靜電、干燥處理，并進行機械振動或超聲波振動；

(3)將加工基板安裝到成型缸活塞上，調(diào)節(jié)加工基板與基面重合；安裝刮刀A、刮刀B，調(diào)節(jié)刮刀A、刮刀B刀刃與加工基板平面重合；

(4)將處理后的粉末倒入送粉缸中；

(5)通過刮刀A鋪置相對較厚的粉層；

(6)通過刮刀B將已經(jīng)預鋪置的厚粉層切削到要求厚度。

本發(fā)明的有點在于：該裝置能夠?qū)⑽⒓毞勰?微米、亞微米級粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的增材制造的微細粉末雙刮刀分步鋪粉裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的刀具一、刀具二的截面圖；

圖3為本發(fā)明的刀具二的安裝角度；

圖4為本發(fā)明的增材制造的微細粉末雙刮刀分步鋪粉裝置工作過程圖。

具體實施方式

本發(fā)明的目的在于提供一種用于增材制造的微細粉末小層厚的鋪置，該裝置能夠?qū)⑽⒓毞勰?微米、亞微米級粒徑粉末)均勻鋪置在基板上，且粉層厚度可到微米級，從而提高粉末增材制造的加工精度和加工零件的表面質(zhì)量。

本發(fā)明也是基于刮刀式鋪粉，首次提出了雙刮刀分步鋪粉，本發(fā)明的鋪粉裝置包括(如圖1所示)加工基板1，成型缸2，送粉缸3，回收缸A4和回收缸B5，刮刀架A6和刮刀架B8以及刮刀A7和刮刀B9。其中加工基板1是在成型缸2內(nèi)可以上下升降。送粉缸3內(nèi)的粉末上也是通過活塞向上運動送粉(需要說明的是本發(fā)明裝置的送粉方式也可采用漏槽方式，以下以送粉缸送粉進行說明)。刮刀A7和刮刀B9在xy水平面上運動。整個鋪粉裝置包括成型缸和送粉缸的上下運動和刮刀的水平運動。這四種運動全部用交流伺服電機驅(qū)動，通過高精密滾珠絲桿傳動來完成。

本發(fā)明能夠在加工基板上鋪置厚度為幾微米的粉層，該方法包括以下步驟：

i.對基板進行毛化處理。毛化方法有噴砂毛化、激光毛化和電火花毛化等，毛化處理后的基板粗糙度在Ra：5～20μm、Rz：5～50μm之間；

ii.對粉末進行消磁、消靜電、干燥處理，并進行機械振動或超聲波振動。目的在于減小粉末粒子間作用力和粉末聚團；

iii.將通過步驟i預處理后的基板安裝到成型缸活塞上，并調(diào)節(jié)基板與基面重合，然后安裝兩個刮刀，且調(diào)節(jié)刮刀的刀刃與基板平面重合；

iv.將通過步驟ii預處理后的粉末倒入本發(fā)明裝置的送粉缸中；

v.利用本發(fā)明的雙刮刀分步鋪粉裝置將微米級粉末鋪置微米級粉層。

本發(fā)明能夠在加工基板1上鋪上厚度為幾微米的粉層，通過雙刮刀兩次鋪置完成微米級粉層厚度。首先通過刮刀7鋪置相對較厚的粉層，特定刀口設計使得刮刀A7對粉層有一定向下壓力，一定程度上將粉層壓實在毛化后的加工基板上，增大了粉層與基板之間的作用力。然后再通過特定刀口設計的刮刀B9將已經(jīng)預鋪置的厚粉層切削到指定厚度的粉層。

本發(fā)明采用的雙刮刀分步鋪粉，為解決微細粉末難以實現(xiàn)較薄粉層厚度的粉末鋪置問題，采用了特殊設計的刮刀形狀(如圖2所示)以實現(xiàn)這一目的。刮刀A7是實現(xiàn)相對較厚的粉層鋪置，并且為了增大基板對粉末的作用力，刮刀A7的前角設計為0°，倒棱前角γ₀₁設計的較大，一般選擇60°～75°，具體的角度與粉末材料和物理性能有關。這樣刮刀鋪粉時前刀面對粉末有壓力作用，使得粉末與基板的接觸面積增加，提高了基板對粉末的粘附力，另外倒棱寬度b₀₁大小選擇5～10mm。刮刀B9的作用是將相對較厚的粉層切削為所需要的厚度，所以其前角也設計為0°，倒棱前角γ₀₁設計的角度選擇5～15°，這個角度的刀具與粉層的切削力較小。倒棱寬度選擇3～5mm。后角α主要是減小刀具的后刀面與粉層的摩擦。后角的合理選取主要根據(jù)鋪粉速度來確定。由于鋪粉速度不宜過快，以免機械振動增大影響鋪粉的均勻性，后角選擇大于45°較好。

本發(fā)明的雙刮刀分步鋪粉裝置的刮刀采用了特定的安裝角度，刮刀A7安裝方向與其運動方向①垂直，但刮刀B9安裝方向與其運動方向②不是垂直關系，而是與垂直方向成一定角度θ，如圖3所示。這個角度選擇15°～30°，目的在于增加一個平行于基板的切力，減小刮刀對粉層垂直向上的作用力，有利于粉末停留在基板上而不被刮刀帶走，提高鋪粉質(zhì)量的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的雙刮刀微細粉末鋪粉裝置應用到微細粉末的增材制造中，具體實施如下：

按照實所述的步驟i～iv對粉末和基板預處理。通過上述步驟將微細粉末增材制造的準備工作完成，粉末裝入送粉缸后，增材制造裝置關閉工作腔。開始抽真空和充工作氣體。增材制造加工零件在計算機的控制下開始進行。

如圖4所示，采用本發(fā)明的雙刮刀鋪粉裝置的增材制造工作過程如下：

1)計算機專業(yè)軟件對零件三維CAD模型進行切片處理，得到二維的平面幾何圖形以及激光平面掃描輪廓信息；

2)加工基板1下降3個加工厚度，送粉缸3上升5個加工厚度，推動粉末上升5個加工厚度，刮刀7向右運動(圖4中a→b)將粉末鋪置在成型缸內(nèi)，并一定程度上壓實了粉末，此時的粉層有3個加工厚度，多余的粉末落入回收缸4中；

3)加工基板1上升2個加工厚度，刮刀9向上運動(圖4中b→c)，將3個加工厚度的粉層切削至1個加工厚度的粉層，多余的粉末落入回收缸5中，完成一次鋪粉過程。此時，激光或電子束根據(jù)二維幾何信息進行掃描完成單層加工；

4)激光或電子束掃描完成后，加工基板下降3～5個加工層厚，刮刀9向下運動(圖4中c→d)退回初始位置；

5)刮刀7向左運動(圖4中d→a)也退回到初始位置；

重復上述步驟2)～5)完成整個零件的加工過程。

特別注意：步驟2)中除了第一次鋪粉時加工基板1需下降3～5個加工厚度，隨后的都不再下降。此后的加工循環(huán)過程中步驟4完成加工基板的下降動作。

以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護的范圍。